CN109733465A - 一种转向系统容错装置及方法和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转向系统容错装置及方法和车辆，包括执行机构、检测机构和控制单元ECU；执行机构包括第一转向柱管、电磁锁止部件、第二转向柱管、路感电机、转向电机和转向器；第一转向柱管的一端用于与方向盘连接，另一端与第二转向柱管的一端通过电磁锁止部件锁止或者分离；路感电机通过第一减速机构与第一转向柱管连接，转向电机通过第二减速机构与第二转向柱管连接，第二转向柱管的另一端与转向器连接；检测机构用于检测方向盘转角信号和前轮转角信号；控制单元ECU分别与检测机构、路感电机、转向电机、电磁锁止部件连接。本发明路感电机或者转向电机发生故障后通过两种模式转换后恢复机械转向，保证故障紧急情况下驾驶员对车辆的转向操纵能力。

Description

一种转向系统容错装置及方法和车辆

技术领域

本发明属于转向系统研究领域，具体涉及一种转向系统容错装置及方法和车辆。

背景技术

线控转向由于取消了方向盘与前转向车轮的机械连接，改善了驾驶特性，增强了操纵性，改善了驾驶员的路感，增强了汽车的舒适性。但在线控转向系统发生故障时，很容易失去转向能力，不能保证驾驶员与乘客的安全。现有技术中通过设置离合器来使第一转向柱与第二转向柱相连接，恢复其机械转向功能。在现有技术中，第一旋转板安装第一位置传感器，第二旋转板安装第二位置传感器，以接收两个旋转板相对旋转角的信号，并控制致动器在所述线控转向正常运行时从通孔中抽出负载部，而在所述线控转向故障时将负载部插入通孔中，以恢复其机械连接。在现有技术中考虑到汽车停机时，线控转向系统转向执行模块由于断电无法运转，但方向盘仍能转动，导致汽车开机时方向盘角度与前轮角度不对应的问题，提出开机时利用转向电机保持前轮转角不变，转动方向盘以匹配前轮的角度。虽然现有技术都能在线控转向系统发生故障时恢复其机械连接以保证其转向能力，但线控转向系统故障后存在方向盘转角与前转向轮角度不对应的情况，如果此时恢复机械连接，将导致驾驶员错误操作造成事故的发生。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明提出一种转向系统的容错装置及方法，在线控转向发生故障后，先通过角度对准模式以确保方向盘转角与前转向轮角度的对应，再通过控制器控制电磁锁止部件以恢复其机械转向能力。本发明路感电机或者转向电机发生故障后通过两种模式转换后恢复机械转向，保证故障紧急情况下驾驶员对车辆的转向操纵能力，解决线控转向系统发生故障时方向盘转角与转向轮角度不对应的问题以及故障后失去转向能力的问题。

本发明还提出一种具有上述转向系统的容错装置的车辆。

本发明的技术方案是：一种转向系统容错装置，包括

执行机构，所述执行机构包括第一转向柱管、电磁锁止部件、第二转向柱管、路感电机、转向电机和转向器；所述第一转向柱管的一端用于与方向盘连接，另一端与第二转向柱管的一端通过电磁锁止部件锁止或者分离；所述路感电机与第一转向柱管连接，所述转向电机与第二转向柱管连接，第二转向柱管的另一端与转向器连接；

检测机构，所述检测机构用于检测方向盘转角信号和前轮转角信号；

和控制单元ECU，所述控制单元ECU分别与检测机构、路感电机、转向电机、电磁锁止部件连接。

上述方案中，所述电磁锁止部件包括固定装置、锁止环、衔铁、电磁线圈和弹性部件；

所述锁止环的一端通过固定装置与第一转向柱管相连，另一端通过弹性部件与固定装置相连；

所述衔铁安装在锁止环内；

所述电磁线圈安装在第二转向柱管的内部。

上述方案中，

所述路感电机通过第一减速机构与第一转向柱管连接；

所述转向电机通过第二减速机构与第二转向柱管连接。

上述方案中，所述检测机构包括方向盘角度传感器和前轮转角传感器；

所述方向盘角度传感器用于检测方向盘的角度；

所述前轮转角传感器用于检测前轮的转角。

进一步的，所述检测机构还包括路感电机电流传感器和转向电机电流传感器；

所述路感电机电流传感器用于检测路感电机的电流，并与控制单元ECU连接；

所述转向电机电流传感器用于检测转向电机的电流，并与控制单元ECU连接。

上述方案中，所述控制单元ECU包括输入模块、故障检测模块、判断模块和输出模块；

所述输入模块与检测机构连接，用于接收检测机构检测的信号；

所述故障检测模块用于检测路感电机和转向电机的故障信号；

所述判断模块用于根据检测机构检测的信号和故障检测模块检测的故障信号判断进入角度对准模式或者锁止模式；

所述输出模块根据判断模块的结果输出控制指令。

一种车辆，包括所述的转向系统容错装置。

一种转向系统容错装置的控制方法，包括以下步骤：

数据采集：所述检测机构检测方向盘转角θ2ˊ信号和前轮转角θ2信号并传递给控制单元ECU；

模式选择与控制：所述控制单元ECU根据故障信号和方向盘转角θ2ˊ与前轮转角θ2之间的差值，判断是进入角度对准模式还是锁止模式；并控制路感电机、转向电机和电磁锁止部件的工作。

进一步的，所述模式选择与控制中当故障信号为路感电机故障具体步骤为：

当控制单元ECU检测到故障诊断为路感电机故障，则进入角度对准模式与锁止模式的选择，当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ为零，则为锁止模式，控制单元ECU控制电磁锁止部件将第一转向柱管与第二转向柱管锁止，恢复机械转向功能；当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ不为零，则进入角度对准模式，控制单元ECU根据△θ，通过转向电机带动第二转向柱管使齿轮齿条转向器转动，直至△θ为零，则进入锁止模式，控制电磁锁止部件将第一转向柱管与第二转向柱管锁止，恢复机械转向功能。

进一步的，所述模式选择与控制中当故障信号为转向电机故障具体为：

当控制单元ECU检测到故障诊断为转向电机故障，则进入角度对准模式与锁止模式的选择，当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ为零，则为锁止模式，控制单元ECU控制电磁锁止部件将第一转向柱管与第二转向柱管锁止，恢复机械转向功能；当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ不为零，则进入角度对准模式，控制单元ECU根据△θ，通过路感电机带动方向盘转动，直至△θ为零，则进入锁止模式，控制电磁锁止部件将第一转向柱管与第二转向柱管锁止，恢复机械转向功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中当检测出线控转向系统发生故障后，先通过方向盘角度传感器与前轮转角传感器或者齿轮齿条位移传感器，判断是否进入角度对准模式，如果存在角度误差，先进行角度对准，消除方向盘与前转向轮之间的角度偏差。如果是路感电机发生故障，则根据角度偏差控制转向电机使转向轮转过一定角度以消除误差。如果是转向电机发生故障，则根据角度偏差控制路感电机产生一定转矩使方向盘旋转一定角度以消除偏差。误差消除之后，通过控制器控制电磁锁止部件进行锁止，使第一转向柱与第二转向柱进行锁止，恢复机械转向能力。本发明结构简单，工作可靠。

2.本发明可实现系统故障时方向盘角度与前转向轮角度的对准，保证驾驶安全。

3.本发明所用电磁锁止部件锁止环中心安装衔铁，当电磁线圈通电时，周围产生磁场，吸引衔铁，从而带动锁止环向内部收缩，与第二转向柱管贴合，实现第一转向柱管与第二转向柱管的锁止，恢复机械转向，保证故障后的转向能力；当电磁线圈断电时，磁场消失，锁止环由于弹性部件的作用使锁止环向外伸张，与第二转向柱管分离，从而使得第一转向柱管与第二转向柱管断开。

4.本发明通过锁止和角度对准两种模式的切换，增加故障时的驾驶安全性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一实施方式的线控转向系统结构图；

图2为本发明一实施方式的电磁锁止部件结构图；

图3为本发明一实施方式的角度对准模式与锁止模式选择结构图；

图4为本发明一实施方式的电子控制系统结构示意图。

图中，1-方向盘，2-第一转向柱管，3-第一减速机构，4-电磁锁止部件，5-第二减速机构，6-第二转向柱管，7-方向盘转角传感器，8-路感电机电流传感器，9-路感电机，10-控制单元ECU，11-转向电机电流传感器，12-转向电机，13-前轮角度传感器，14-齿轮齿条位移传感器，15-齿轮齿条转向器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1所示为一种转向系统容错装置的实施方式，所述转向系统容错装置包括执行机构、检测机构和控制单元ECU10。

所述执行机构包括第一转向柱管2、电磁锁止部件4、第二转向柱管6、路感电机9、转向电机12和转向器；所述第一转向柱管2的一端用于与方向盘1连接，另一端与第二转向柱管6的一端通过电磁锁止部件4锁止或者分离；所述路感电机9通过第一减速机构3与第一转向柱管2连接，所述转向电机12通过第二减速机构5与第二转向柱管6连接，第二转向柱管6的另一端与转向器连接；

所述检测机构用于检测方向盘转角信号和前轮转角信号；

所述控制单元ECU10分别与检测机构、路感电机9、转向电机12、电磁锁止部件4连接。

如图2所示，所述电磁锁止部件4包括固定装置18、锁止环16、衔铁17、电磁线圈19和弹性部件。优选，弹性部件为螺旋弹簧20。

所述锁止环16的一端通过固定装置18与第一转向柱管2相连，另一端通过弹性部件与固定装置18相连；所述衔铁17安装在锁止环16内的中央；所述电磁线圈19安装在第二转向柱管6的内。当电磁线圈19通电时，周围产生磁场，吸引衔铁17带动锁止环16向中心收缩，与第二转向柱管6进行贴合，从而完成第一转向柱管2与第二转向柱管6的锁止，系统恢复机械转向模式。当电磁线圈19断电时，由于螺旋弹簧20的弹力，使锁止环16向外部伸展，使得第一转向柱管2与第二转向柱管6分离，断开方向盘1与转向轮的机械连接。

优选的，所述检测机构包括方向盘角度传感器7、前轮转角传感器13、路感电机电流传感器8和转向电机电流传感器11；

所述方向盘角度传感器7安装在方向盘1的第一转向柱管2上，用于检测方向盘的角度；

所述前轮转角传感器13用于检测前轮的转角；

所述路感电机电流传感器8安装于路感电机9上，用于检测路感电机9的电流；

所述转向电机电流传感器11安装于转向电机12上用于检测转向电机12的电流。

所述电磁锁止部件4用于锁止第一转向柱管(2)与第二转向柱管(6)，使系统恢复机械连接。正常情况下，电子控制单元ECU10根据车速传感器、方向盘转角传感器7、前轮转角传感器13等信号，控制路感电机9通过减速机构3给方向盘1传递一定的回正力矩，给驾驶员一定的路感。控制单元ECU10根据方向盘转角传感器7以及转向传动比，控制转向电机12带动第二转向柱管(6)使齿轮齿条转向器15使前轮转过一定角度，实现转向。

优选的，所述控制单元ECU10包括输入模块、故障检测模块、判断模块和输出模块；

所述输入模块与检测机构连接，用于接收检测机构检测的信号；

所述故障检测模块用于检测路感电机9和转向电机12的故障信号；

所述判断模块用于根据检测机构检测的信号和故障检测模块检测的故障信号判断进入角度对准模式或者锁止模式；

所述输出模块根据判断模块的结果输出控制指令。

如图3所示，经方向盘角度传感器(7)测得的角度θ1，由公式θ2ˊ＝θ1·k转化为θ2ˊ，和经前轮转角传感器13测得的角度θ2，或由齿轮齿条位移传感器14测得的位移量转化而来，进行作差得到△θ，如果△θ＝0，则直接进入锁止模式，如果△θ≠0，则先进入角度对准模式完成方向盘转角与前转向轮的对准，然后再进入锁止模式。

经故障检测模块检测出线控转向系统发生故障，如果此故障为路感电机(9)的故障，由于驾驶员失去路感，会操纵方向盘突然大幅度旋转，此时转向电机由于反应迟滞，造成方向盘角度与转向轮角度的偏差，此时恢复机械转向，会造成驾驶员继续错误操作，发生危险，控制单元ECU10对方向盘角度传感器(7)与前轮角度传感器(13)测得的角度差进行判断，如果差值为0，则直接进入锁止模式，控制单元(10)控制电磁锁止部件4进行锁止。如果差值不为0，则先进入角度对准模式，ECU10根据角度差对转向电机12电流进行控制以缩小差值，当差值为0时，则再进入锁止模式，完成第一转向柱管2与第二转向柱管6的锁止。如果判断不是路感电机9的故障，则对转向电机12的故障进行判断，如果判断为转向电机故障，则对方向盘角度传感器(7)与车轮角度传感器(13)测得的角度差进行判断，如果差值为0，则直接进入锁止模式，控制单元(10)控制电磁锁止部件4进行锁止。如果差值不为0，则先进入角度对准模式，ECU10根据角度差对路感电机9的电流进行控制以缩小差值，当差值为0时，则再进入锁止模式，完成第一转向柱管2与第二转向柱管6的锁止。

实施例2

一种车辆，实施例1所述的转向系统容错装置，因而具有实施例1所述的一切有益效果，此处不再赘述。

实施例3

如图4所示，一种根据实施例1所述转向系统容错装置的控制方法，包括以下步骤：

数据采集：所述检测机构检测方向盘转角θ2ˊ信号和前轮转角θ2信号并传递给控制单元ECU10；

模式选择与控制：所述控制单元ECU10根据故障信号和方向盘转角θ2ˊ与前轮转角θ2之间的差值，判断是进入角度对准模式还是锁止模式；并控制路感电机9、转向电机12和电磁锁止部件4的工作。

优选的，所述模式选择与控制具体为：

当控制单元ECU10的故障检测模块检测到线控转向系统发生故障，故障诊断为路感电机9故障，则进入角度对准模式与锁止模式选择模块。根据方向盘角度传感器7测量得到的方向盘转角θ1，前轮转角传感器13测量得到的前轮转角θ2，再由转向传动比K得到θ2ˊ＝θ1·K。如果则对方向盘角度传感器(7)与前轮角度传感器(13)测得的角度差△θ＝θ2ˊ-θ2为0，则直接切换为锁止模式，

控制单元ECU10给电磁锁止部件4的电磁线圈19通电，锁止环向内收缩，使第一转向柱管2与第二转向柱管6锁止，恢复机械转向功能；

当△θ＝θ2ˊ-θ2不为0，则进入角度对准模式，控制单元ECU10根据△θ，对转向电机12电流进行控制以缩小差值，通过转向电机12带动第二转向柱管6使齿轮齿条转向器15转动，使车轮旋转一定角度以匹配方向盘1的角度，直至△θ为零，则进入锁止模式，控制电磁锁止部件4将第一转向柱管2与第二转向柱管6锁止，恢复机械转向功能。

当控制单元ECU10检测到故障诊断为转向电机12故障，则进入角度对准模式与锁止模式选择模块。根据方向盘角度传感器7测量得到的方向盘转角θ1，前轮转角传感器13测量得到的前轮转角θ2，再由转向传动比K得到θ2ˊ＝θ1·K。如果△θ＝θ2ˊ-θ2为0，则直接切换为锁止模式，控制单元ECU10给电磁锁止部件4的电磁线圈19通电，锁止环16向内收缩，使第一转向柱管2与第二转向柱管6锁止，恢复机械转向功能；如果△θ＝θ2ˊ-θ2不为0，则进入角度对准模式，ECU10根据△θ，给路感电机9一定的电流，使路感电机通过第一减速机构3带动方向盘1转动一定转角，以匹配前轮转向角度。直至△θ为0，系统进入锁止模式，完成第一转向柱管与第二转向柱管的锁止，恢复机械转向功能。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转向系统容错装置，其特征在于，包括

执行机构，所述执行机构包括第一转向柱管(2)、电磁锁止部件(4)、第二转向柱管(6)、路感电机(9)、转向电机(12)和转向器；所述第一转向柱管(2)的一端用于与方向盘(1)连接，另一端与第二转向柱管(6)的一端通过电磁锁止部件(4)锁止或者分离；所述路感电机(9)与第一转向柱管(2)连接，所述转向电机(12)与第二转向柱管(6)连接，第二转向柱管(6)的另一端与转向器连接；

检测机构，所述检测机构用于检测方向盘转角信号和前轮转角信号；

和控制单元ECU(10)，所述控制单元ECU(10)分别与检测机构、路感电机(9)、转向电机(12)、电磁锁止部件(4)连接。

2.根据权利要求1所述的转向系统容错装置，其特征在于，所述电磁锁止部件(4)包括固定装置(18)、锁止环(16)、衔铁(17)、电磁线圈(19)和弹性部件；

所述锁止环(16)的一端通过固定装置(18)与第一转向柱管(2)相连，另一端通过弹性部件与固定装置(18)相连；

所述衔铁(17)安装在锁止环(16)内；

所述电磁线圈(19)安装在第二转向柱管(6)的内。

3.根据权利要求1所述的转向系统容错装置，其特征在于，

所述路感电机(9)通过第一减速机构(3)与第一转向柱管(2)连接；

所述转向电机(12)通过第二减速机构(5)与第二转向柱管(6)连接。

4.根据权利要求1所述的转向系统容错装置，其特征在于，所述检测机构包括方向盘角度传感器(7)和前轮转角传感器(13)；

所述方向盘角度传感器(7)用于检测方向盘的角度；

所述前轮转角传感器(13)用于检测前轮的转角。

5.根据权利要求4所述的转向系统容错装置，其特征在于，所述检测机构还包括路感电机电流传感器(8)和转向电机电流传感器(11)；

所述路感电机电流传感器(8)用于检测路感电机(9)的电流；

所述转向电机电流传感器(11)用于检测转向电机(12)的电流。

6.根据权利要求1所述的转向系统容错装置，其特征在于，所述控制单元ECU(10)包括输入模块、故障检测模块、判断模块和输出模块；

所述输入模块与检测机构连接，用于接收检测机构检测的信号；

所述故障检测模块用于检测路感电机(9)和转向电机(12)的故障信号；

所述判断模块用于根据检测机构检测的信号和故障检测模块检测的故障信号判断进入角度对准模式或者锁止模式；

所述输出模块根据判断模块的结果输出控制指令。

7.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的转向系统容错装置。

8.一种根据权利要求1-6任意一项所述转向系统容错装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据采集：所述检测机构检测方向盘转角θ2ˊ信号和前轮转角θ2信号并传递给控制单元ECU(10)；

模式选择与控制：所述控制单元ECU(10)根据故障信号和方向盘转角θ2ˊ与前轮转角θ2之间的差值，判断是进入角度对准模式还是锁止模式；并控制路感电机(9)、转向电机(12)和电磁锁止部件(4)的工作。

9.根据权利要求8所述的转向系统容错装置的控制方法，其特征在于，所述模式选择与控制中当故障信号为路感电机(9)故障具体步骤为：

当控制单元ECU(10)检测到故障诊断为路感电机(9)故障，则进入角度对准模式与锁止模式的选择，当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ为零，则为锁止模式，控制单元ECU(10)控制电磁锁止部件(4)将第一转向柱管(2)与第二转向柱管(6)锁止，恢复机械转向功能；当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ不为零，则进入角度对准模式，控制单元ECU(10)根据△θ，通过转向电机(12)带动第二转向柱管(6)使齿轮齿条转向器(15)转动，直至△θ为零，则进入锁止模式，控制电磁锁止部件(4)将第一转向柱管(2)与第二转向柱管(6)锁止，恢复机械转向功能。

10.根据权利要求8所述的转向系统容错装置的控制方法，其特征在于，所述模式选择与控制中当故障信号为转向电机(12)故障具体为：

当控制单元ECU(10)检测到故障诊断为转向电机(12)故障，则进入角度对准模式与锁止模式的选择，当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ为零，则为锁止模式，控制单元ECU(10)控制电磁锁止部件(4)将第一转向柱管(2)与第二转向柱管(6)锁止，恢复机械转向功能；当方向盘转角θ2ˊ和前轮转角θ2的△θ不为零，则进入角度对准模式，控制单元ECU(10)根据△θ，通过路感电机(9)带动方向盘(1)转动，直至△θ为零，则进入锁止模式，控制电磁锁止部件(4)将第一转向柱管(2)与第二转向柱管(6)锁止，恢复机械转向功能。